DE102012207770A1 - Battery used in motor car, has electrically insulating coating that is provided to battery cell on outer side of pressure-limiting device - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriezellen. Die Batteriezellen umfassen jeweils ein Batteriezellengehäuse mit einer Aussparung. Die Batterie umfasst ein Entgasungssystem, das einen Hohlraum und eine Mehrzahl an Öffnungen aufweist, welche mit den Aussparungen der Batteriezellengehäuse korrespondieren. Überdies umfassen die Batteriezellen jeweils eine Druckbegrenzungseinrichtung, welche die Aussparung des Batteriezellengehäuses verschließt und ausgebildet ist, bei einem kritischen Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses zu öffnen und den Hohlraum des Entgasungssystems mit einem Inneren des entsprechenden Batteriezellengehäuses strömungstechnisch zu verbinden. Ferner betrifft die Erfindung eine Batteriezelle für eine solche Batterie sowie ein Kraftfahrzeug umfassend die Batterie.The present invention relates to a battery having a plurality of battery cells. The battery cells each include a battery cell housing having a recess. The battery includes a degassing system having a cavity and a plurality of openings corresponding to the recesses of the battery cell housing. Moreover, the battery cells each comprise a pressure limiting device, which closes the recess of the battery cell housing and is designed to open at a critical pressure within the battery cell housing and fluidly connect the cavity of the degassing system with an interior of the corresponding battery cell housing. Furthermore, the invention relates to a battery cell for such a battery and a motor vehicle comprising the battery.
Stand der TechnikState of the art
Es zeichnet sich ab, dass in Zukunft sowohl bei stationären Anwendungen (z. B. bei Windkraftanlagen), in Fahrzeugen (z. B. in Hybrid- und Elektrofahrzeugen) als auch im Consumer-Bereich (z. B. Laptops und Mobiltelefone) vermehrt neue Batteriesysteme zum Einsatz kommen werden, an die sehr hohe Anforderungen bezüglich Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer gestellt werden. Batteriesysteme, basierend auf der Lithium-Ionen-Technologie, sind hierfür prädestiniert.It is becoming more and more common in future for both stationary applications (eg in wind turbines), in vehicles (eg in hybrid and electric vehicles) and in the consumer sector (eg laptops and mobile phones) new battery systems will be used, which are subject to very high demands in terms of reliability, performance and service life. Battery systems based on lithium-ion technology are predestined for this purpose.
Batterien sind meist aus einzelnen Subunits aufgebaut, die sich hinsichtlich der Integrationsstufe weiter in Batteriemodule untergliedern lassen. Die Batteriemodule werden aus seriell und/oder parallel verschalteten Batteriezellen, im Falle einer Lithium-Ionen-Batterie aus Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgebaut.Batteries are usually made up of individual subunits, which can be further subdivided into battery modules with regard to the integration stage. The battery modules are constructed of serial and / or parallel-connected battery cells, in the case of a lithium-ion battery of lithium-ion battery cells.
Batteriezellen weisen oftmals metallische Batteriezellengehäuse auf, welche beim Verbau in einer Batterie gegenüber ihrer Umgebung (z. B. einer benachbarten Batteriezelle, einem Modul- oder Batteriegehäuse) elektrisch isoliert werden. Bisher werden für die elektrische Isolation (selbstklebende) Isolationsfolien, Verbundstoffe, z. B. aus Aramid und Kapton, oder Schrumpfschläuche, z. B. aus Polyester, eingesetzt.Battery cells often have metallic battery cell housings that are electrically isolated when installed in a battery relative to their environment (eg, an adjacent battery cell, a module or battery case). So far, for the electrical insulation (self-adhesive) insulation films, composites, eg. B. aramid and Kapton, or heat shrink tubing, z. B. of polyester used.
Diese haben den Nachteil, dass die elektrisch isolierende Schicht nicht direkt mit dem metallischen Batteriezellengehäuse verbunden ist. Dadurch kann z. B. Feuchtigkeit zwischen die Isolationsschicht und das Batteriezellengehäuse eindringen und die Isolationseigenschaften auf Dauer verschlechtern oder zur Korrosion auf der Oberfläche des Batteriezellengehäuses führen. Des Weiteren ist eine prozesssichere Verarbeitung mit den oben genannten Verfahren aufgrund einer Neigung zur Blasenbildung problematisch. Ebenso ist es mit den oben genannten Isolationsmitteln nicht möglich, geometrisch anspruchsvolle Bauteile, z. B. komplexe dreidimensionale Geometrien, und insbesondere mit Hinterschneidungen zuverlässig und mit hoher Reproduzierbarkeit elektrisch zu isolieren.These have the disadvantage that the electrically insulating layer is not connected directly to the metallic battery cell housing. As a result, z. B. moisture between the insulating layer and the battery cell housing penetrate and deteriorate the insulation properties in the long term or lead to corrosion on the surface of the battery cell housing. Furthermore, process reliable processing with the above methods is problematic due to a tendency to blister. Likewise, it is not possible with the above-mentioned insulation, geometrically demanding components, eg. As complex three-dimensional geometries, and in particular with undercuts reliably and electrically isolate with high reproducibility.
Moderne Lithium-Ionen-Batteriezellen verfügen über eine Schutzeinrichtung in Form einer Druckbegrenzungseinrichtung, welche bei einem kritischen Druck innerhalb der Batteriezelle kleiner einem Berstdruck der Batteriezelle druckaktiviert öffnet, so dass es zu einer sogenannten Entgasung der Batteriezelle kommt. Feste, flüssige und/oder gasförmige Bestandteile aus der Batteriezelle können so an einer definierten Stelle abgegeben, aufgenommen und gezielt in einen hierfür vorgesehenen Bereich der Batterie geleitet werden. Das bei der Entgasung austretende Aerosol kann elektrisch leitfähige Verbindungen zwischen den Batteriezellen und elektrisch leitfähigen Komponenten in der Batterie ausbilden, welche zu kritischen Kurzschlüssen innerhalb der Batterie führen können.Modern lithium-ion battery cells have a protective device in the form of a pressure limiting device, which opens pressure-activated at a critical pressure within the battery cell a bursting pressure of the battery cell, so that it comes to a so-called degassing of the battery cell. Solid, liquid and / or gaseous components from the battery cell can be dispensed at a defined location, recorded and directed specifically into a designated area of the battery. The aerosol exiting during the degassing can form electrically conductive connections between the battery cells and electrically conductive components in the battery, which can lead to critical short circuits within the battery.
Beispielsweise zeigt die
Um Korrosion am Batteriezellengehäuse zu vermeiden, werden die Batteriezellengehäuse gemäß dem Stand der Technik häufig mit einem der Pole der Batteriezelle, z. B. dem positiven Pol, elektrisch leitfähig verbunden. Beispielsweise durch eine Reihenschaltung von Batteriezellen liegen die Batteriezellengehäuse der in Reihe geschalteten Batteriezellen somit auf unterschiedlich hohen Potentialen. To avoid corrosion on the battery cell housing, the battery cell housing according to the prior art often with one of the poles of the battery cell, for. B. the positive pole electrically conductively connected. For example, by a series connection of battery cells, the battery cell housing of the series-connected battery cells are thus at different high potentials.
Im Fehlerfall öffnet bei einem kritischen Druck innerhalb eines der Batteriezellengehäuse
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird eine Batterie mit einer Mehrzahl an Batteriezellen, die jeweils ein Batteriezellengehäuse mit einer Aussparung umfassen, zur Verfügung gestellt. Ferner umfasst die Batterie ein Entgasungssystem, das einen Hohlraum und eine Mehrzahl an Öffnungen aufweist, welche mit den Aussparungen der Batteriezellengehäuse korrespondieren, insbesondere in Strömungsverbindung miteinander stehen. Überdies umfassen die Batteriezellen jeweils eine Druckbegrenzungseinrichtung, welche die Aussparung des Batteriezellengehäuses verschließt und ausgebildet ist, bei einem kritischen Druck innerhalb des Batteriezellengehäuses zu öffnen und den Hohlraum des Entgasungssystems mit einem Inneren des entsprechenden Batteriezellengehäuses strömungstechnisch zu verbinden. Kennzeichnend weist die Batteriezelle, auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite, wenigstens auf der Druckbegrenzungseinrichtung eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.According to the invention, a battery is provided with a plurality of battery cells, each comprising a battery cell housing with a recess. Furthermore, the battery comprises a degassing system, which has a cavity and a plurality of openings, which correspond to the recesses of the battery cell housing, in particular in flow communication with each other. Moreover, the battery cells each comprise a pressure limiting device, which closes the recess of the battery cell housing and is designed to open at a critical pressure within the battery cell housing and fluidly connect the cavity of the degassing system with an interior of the corresponding battery cell housing. Characteristically, the battery cell, on a side facing the cavity, has an electrically insulating coating at least on the pressure limiting device.
In der Regel sind das Batteriezellengehäuse und die Bersteinrichtung elektrisch leitfähig. Insbesondere weisen das Batteriezellengehäuse und/oder die Bersteinrichtung einen Grundkörper aus Metall, z. B. aus Aluminium oder Stahl auf. Das Batteriezellengehäuse kann zudem z. B. eine prismatische oder zylindrische Form aufweisen. Batteriezellen mit metallischem und prismatischem oder zylindrischem Batteriezellengehäuse werden oftmals auch als Hardcase-Batteriezellen bezeichnet.As a rule, the battery cell housing and the bursting device are electrically conductive. In particular, the battery cell housing and / or the bursting device have a base body made of metal, for. As aluminum or steel. The battery cell housing can also z. B. have a prismatic or cylindrical shape. Battery cells with metallic and prismatic or cylindrical battery cell housing are often referred to as hardcase battery cells.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, Kurzschlüsse über das Entgasungssystem verhindern zu können, indem wenigstens die Druckbegrenzungseinrichtungen auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Batteriezelle und somit auf einer dem Hohlraum zugewandten Seite der Druckbegrenzungseinrichtungen eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweisen. Durch die elektrisch isolierende Beschichtung sind die Druckbegrenzungseinrichtungen von dem Hohlraum des Entgasungssystems elektrisch isoliert. Ein im Fehlerfall entstehender elektrisch leitfähiger Film aufgrund eines abgeschlagenen Aerosols kann somit nicht die elektrisch leitfähigen Teile der Druckbegrenzungseinrichtungen kontaktieren. Somit werden mögliche Kurzschlüsse zwischen zwei Batteriezellen über den elektrisch leitfähigen Film verhindert. Die Auswirkungen des Fehlerfalls bleiben damit auf die jeweils betroffene Batteriezelle oder die jeweils betroffenen Batteriezellen beschränkt. Zudem kann die Erfindung dazu herangezogen werden, Luft- bzw. Kriechstrecken im Normal- und im Fehlerfall zu benachbarten elektrisch leitfähigen Komponenten zu vergrößern.The invention is based on the finding of being able to prevent short circuits via the degassing system, in that at least the pressure-limiting devices have an electrically insulating coating on a side of the battery cell facing the cavity and thus on a side of the pressure-limiting devices facing the cavity. Due to the electrically insulating coating, the pressure limiting devices are electrically insulated from the cavity of the degassing system. A resulting in case of failure electrically conductive film due to a severed aerosol can not contact the electrically conductive parts of the pressure limiting devices. Thus, possible short circuits between two battery cells are prevented via the electrically conductive film. The effects of the fault thus remain limited to the respective affected battery cell or the affected battery cells. In addition, the invention can be used to increase air and creepage distances in the normal and in case of failure to adjacent electrically conductive components.
Vorzugsweise ist die Bersteinrichtung mit dem Batteriezellengehäuse verbunden. Beispielsweise kann die Bersteinrichtung in die Aussparung des Batteriezellengehäuses eingepresst und/oder eingeklebt sein.Preferably, the bursting device is connected to the battery cell housing. For example, the bursting device can be pressed into the recess of the battery cell housing and / or glued.
Je nach Ausgestaltung der Batteriezelle können auch an die Druckbegrenzungseinrichtung angrenzende Bereiche des Batteriezellengehäuses mit dem Hohlraum des Entgasungssystems in Kontakt stehen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrisch isolierende Beschichtung zusätzlich auf den an die Bersteinrichtung angrenzenden Bereichen des Batteriezellengehäuses auf einer Außenseite des Batteriezellengehäuses vorgesehen. Ferner bevorzugt ist die elektrisch isolierende Beschichtung auf den an den Hohlraum angrenzenden Bereichen des Batteriezellengehäuses vorgesehen. Des Weiteren bevorzugt ist die elektrisch isolierende Beschichtung auf den an den Hohlraum angrenzenden elektrisch leitfähigen Bereichen, insbesondere metallischen Bereichen, der Batteriezelle vorgesehen. Durch diese Ausgestaltungen werden auch Bereiche der Batteriezelle oder insbesondere des Batteriezellengehäuses, welche an den Hohlraum des Entgasungssystems angrenzen, von einem möglichen elektrisch leitfähigen Film elektrisch isoliert.Depending on the configuration of the battery cell, areas of the battery cell housing which are adjacent to the pressure limiting device may also be in contact with the cavity of the degassing system. According to a preferred embodiment, the electrically insulating coating is additionally provided on the regions of the battery cell housing adjacent to the bursting device on an outer side of the battery cell housing. Further preferably, the electrically insulating coating is provided on the regions of the battery cell housing adjacent to the cavity. Furthermore, the electrically insulating coating is preferably provided on the electrically conductive regions adjacent to the cavity, in particular metallic regions, of the battery cell. As a result of these refinements, areas of the battery cell or, in particular, of the battery cell housing, which adjoin the cavity of the degassing system, are also electrically insulated from a possible electrically conductive film.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Batteriezellengehäuse auf seiner Außenseite von einer elektrisch isolierenden Beschichtung umhüllt, die insbesondere durchgehend mit der elektrisch isolierenden Beschichtung der Druckbegrenzungseinrichtung ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung kann eine Isolation der Batteriezellengehäuse mittels selbstklebender Isolationsfolien oder Schrumpfschläuchen entfallen. Durch die direkt mit dem Batteriezellengehäuse verbundene elektrisch isolierende Beschichtung wird ein Eindringen von z. B. Feuchtigkeit zwischen einer Isolationsschicht und dem Batteriezellengehäuse unterbunden, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile werden dadurch behoben.According to a preferred embodiment of the invention, the battery cell housing is enveloped on its outer side by an electrically insulating coating, which is in particular formed continuously with the electrically insulating coating of the pressure limiting device. By this configuration, an insulation of the battery cell housing can be omitted by means of self-adhesive insulation films or shrink tubing. By directly connected to the battery cell housing electrically insulating coating is an intrusion of z. B. moisture between an insulating layer and the battery cell housing prevented, known from the prior art disadvantages are eliminated.
Vorzugsweise sind zwischen den Batteriezellen und dem Entgasungssystem Dichtungselemente angeordnet, derart, dass die Batteriezellen gasdicht an das Entgasungssystem gekoppelt sind. Insbesondere bevorzugt sind die Dichtungselemente zwischen den Batteriezellengehäusen und dem Entgasungssystem angeordnet. Die Dichtungselemente können beispielsweise Gummidichtungen, insbesondere in Form von O-Ringen, sein. Preferably sealing elements are arranged between the battery cells and the degassing system, such that the battery cells are coupled gas-tight to the degassing system. Particularly preferred are the sealing elements between the battery cell housings and the degassing arranged. The sealing elements may for example be rubber seals, in particular in the form of O-rings.
Bevorzugt ist die Bersteinrichtung ein bei dem kritischen Druck öffnendes Sicherheitsventil oder eine bei dem kritischen Druck berstende Einmal-Membran. Einmal-Membranen haben neben günstigen Stückpreisen den Vorteil, dass eine Überprüfung der Batteriezelle durch Sichtkontrolle der Einmal-Membran erfolgen kann.Preferably, the bursting means is a safety valve opening at the critical pressure or a disposable membrane bursting at the critical pressure. Disposable membranes in addition to low unit prices have the advantage that a review of the battery cell can be done by visual inspection of disposable membrane.
Ferner wird eine Batteriezelle zur Verfügung gestellt, welche zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Batterie ausgebildet ist. Die Batteriezelle umfasst ein Batteriezellengehäuse mit einer Aussparung sowie eine Bersteinrichtung, welche die Aussparung des Batteriezellengehäuses verschließt und ausgebildet ist, bei einem kritischen Druckanstieg innerhalb des Batteriezellengehäuses zu öffnen. Die Batteriezelle weist auf einer Außenseite der Batteriezelle wenigstens auf der Druckbegrenzungseinrichtung eine elektrisch isolierende Beschichtung auf.Furthermore, a battery cell is provided, which is designed for use in a battery according to the invention. The battery cell comprises a battery cell housing with a recess and a bursting device, which closes the recess of the battery cell housing and is designed to open at a critical pressure rise within the battery cell housing. The battery cell has an electrically insulating coating on an outer side of the battery cell at least on the pressure limiting device.
Somit weist wenigstens die Druckbegrenzungseinrichtung auf einer Außenseite der Batteriezelle und somit auf einer Außenseite der Druckbegrenzungseinrichtung eine elektrisch isolierende Beschichtung auf, wodurch mittels einer Mehrzahl an Batteriezellen die erfindungsgemäße Batterie realisiert werden kann.Thus, at least the pressure-limiting device has an electrically insulating coating on an outer side of the battery cell and thus on an outer side of the pressure-limiting device, whereby the battery according to the invention can be realized by means of a plurality of battery cells.
Vorzugsweise sind die Batteriezellen Lithium-Ionen-Batteriezellen (Sekundärzellen). Durch die Verwendung der Lithium-Ionen-Technologie können besonders hohe Energiespeicherdichten erzielt werden, was insbesondere im Bereich der Elektromobilität zu weiteren Vorteilen führt. Weitere mögliche Batteriezellen sind z. B. Nickel-Metall-Hydrid-Batteriezellen oder Lithium-Metall-Polymer-Batteriezellen.Preferably, the battery cells are lithium-ion battery cells (secondary cells). By using lithium-ion technology, particularly high energy storage densities can be achieved, which leads to further advantages, in particular in the field of electromobility. Other possible battery cells are z. As nickel-metal hydride battery cells or lithium metal-polymer battery cells.
Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend eine erfindungsgemäße Batterie zur Verfügung gestellt, wobei die Batterie in der Regel zur Speisung eines elektrischen Antriebssystems des Fahrzeuges vorgesehen ist.Furthermore, a motor vehicle comprising a battery according to the invention is provided, wherein the battery is generally provided for feeding an electric drive system of the vehicle.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims and described in the description.
Zeichnungendrawings
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to the drawings and the description below. Show it:
Auf
Bei einem kritischen Druck innerhalb eines der Batteriezellengehäuse
Im Gegensatz zum Stand der Technik weisen die Druckbegrenzungseinrichtungen
Dadurch, dass die Batteriezellen
Die elektrisch isolierende Beschichtung
Als Materialien für die Beschichtung kommen beispielsweise elektrisch nicht leitfähige Kunststoffe, insbesondere Polyurethan oder Lacke, insbesondere Epoxy-Lacke, UV-Lacke oder Pulverlacke in Frage. Suitable materials for the coating, for example, electrically non-conductive plastics, in particular polyurethane or paints, in particular epoxy paints, UV coatings or powder coatings in question.
Mögliche Verfahren, um die Druckbegrenzungseinrichtung und/oder das Batteriezellengehäuse mit der elektrisch isolierenden Beschichtung zu beschichten, sind beispielsweise:
- • Lackieren (pneumatische Zerstäubung eines Lackes und/oder sogenannte Airless-Verfahren)
- • Tauchlackieren
- • Fluten (Batteriezellen werden dabei von Lack "wasserfallähnlich" überströmt)
- • PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition-Verfahren)
- • CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition-Verfahren)
- Painting (pneumatic atomization of a paint and / or so-called airless processes)
- • dip coating
- • Flooding (battery cells are overflowed by paint "waterfall-like")
- • PVD (Physical Vapor Deposition) process
- • CVD (Chemical Vapor Deposition) process
Die Beschichtung der Druckbegrenzungseinrichtung
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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